基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于铁电‑铁磁异质结的电控磁型存储器及其制备方法。所述基于铁电‑铁磁异质结的电控磁型存储器包括从下往上依次设置的铁电层和铁磁层，所述铁电层为BiFeO

Electric controlled magnetic memory ferroelectric ferromagnetic heterojunction and preparation method thereof based on

The invention relates to a preparation method of electronic magnetic memory ferroelectric ferromagnetic heterojunction and method based on. Electric controlled magnetic memory ferroelectric ferromagnetic heterostructures including bottom-up sequentially arranged on the ferroelectric layer and the ferromagnetic layer based on the above, the ferroelectric layer is BiFeO3 film, the ferromagnetic layer is Co nanometer lattice. The preparation method comprises the following steps: first using BiFeO3 films deposited on the substrate by pulse laser deposition, the BiFeO3 film on the mask, the mask on the surface of BiFeO3 thin film evaporation plating method with plated Co nano array. By preparing the heterojunction of Co nano point and BiFeO3 film, the coupling effect of ferroelectric and ferromagnetic interface is strengthened, and the control mechanism of the magnetic writing is improved by taking the strain as the regulating mechanism of the electro magnetic reading.

【技术实现步骤摘要】
基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器及其制备方法
本专利技术涉及新一代存储领域，特别是涉及一种基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器及其制备方法。
技术介绍
在信息化时代的快速发展的今天，对于新一代器件低功耗、多功能、高密度的需求越来越迫切，基于硅工艺的工业化生产已接近摩尔效应的极限，因此在尺寸方面的发展受限时又有了结构的设计，此外，新型材料体系的研究和发展无疑是更好的选择。随着集成器件微型化技术的发展，对于新的存储材料和体系的需求日益迫切，磁电耦合效应由于其为高密度低功耗的新型存储和逻辑器件提供了潜在的应用，得到了众多研究者的青睐。然而，对于实现室温下稳定的可控的电控磁翻转仍然有很大的问题有待解决。传统的单相材料磁电耦合的测量表征受限于较低的温度下，实验成本过高而且应用化远离日常生活条件，不符合工业化的要求。随着对复合材料的研究发展和制备手段诸如脉冲激光沉积法、磁控溅射法、电子束蒸发法等技术的日渐成熟，人工剪裁材料体系，设计理想复合界面渐成可能，复合体系带来的新的物理机理和优异性能也愈发的受到关注。其中，基于铁电-铁磁的异质结所带来的电控磁性关联，可以在室温下实现电写入信息和磁读取信息的机制，不仅仅以电写入代替磁写入改变了磁写入功耗较高，写入机制繁琐的缺点，同时又能够保持磁读取的现有工艺，与工业化相结合，无疑是下一代新型存储器的最佳选择之一。目前存在的最大问题是材料体系电写磁读的可翻转性、稳定性、可重复性较差，主要原因是铁电体的自身磁电耦合较弱，铁磁与铁电界面关联较差，存在有缺陷、氧化、扩散等问题，调控损耗较高，磁存储信息复杂。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于，提供一种基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器及其制备方法，加强铁电与铁磁界面的耦合效应，提高电写磁读的可控性。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器，包括从下往上依次设置的铁电层和铁磁层，所述铁电层为BiFeO3薄膜，所述铁磁层为Co纳米点阵。相对于现有技术，本专利技术采用BiFeO3薄膜作为铁电层，采用磁性Co纳米点作为铁磁层，形成了Co纳米点和BiFeO3薄膜的异质结，以应变作为电写磁读的调控机制，可以有效避免由于铁电-铁磁界面处的缺陷、扩散、氧化等问题导致的调控性较差的问题；由于BiFeO3自身铁电性和反铁磁性一定的关联，在与铁磁体的交换耦合效应下使得电写磁读的调控可控性更强；对于有序的Co纳米磁点阵列，在小尺寸的情况下进行调控的研究，不仅磁读取信息更易分析，同时在形状各向异性的设计更可控，界面处的交换偏置效应关联更强，可有效解决信息存储和读取难以分析的复杂问题。进一步，所述BiFeO3薄膜为四方相的BiFeO3外延薄膜。四方相在电压的写入控制下能够提供足够大的应变，利用外延的BiFeO3薄膜作为铁电体的应变介质，相较于陶瓷极大的降低了损耗，同时可控性更强，可以反复调控，疲劳特性好。进一步，所述Co纳米点阵中的Co纳米点的横向尺寸为100～300nm，高度为10～25nm。该尺寸下的磁性Co纳米点为磁单畴态，在BiFeO3的矫顽场以上可以有序翻转，并且可往复反转。基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器的制备方法，包括以下步骤：S1：采用脉冲激光沉积法在衬底上沉积BiFeO3薄膜；S2：将步骤S1所得BiFeO3薄膜贴上掩模板，采用蒸镀法在贴有掩模板的BiFeO3薄膜表面镀上Co纳米点阵。相对于现有技术，本专利技术采用脉冲激光沉积法制备BiFeO3外延薄膜，沉积速率高，衬底温度要求低，制得的BiFeO3薄膜均匀性好，具有纯四方相，然后采用蒸镀法结合掩模板在BiFeO3薄膜表面镀上有序的Co纳米点阵，制得基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器；本专利技术制得的电控磁型存储器在铁电体BiFeO3的矫顽场附近用小电压脉冲进行调控，发现在矫顽场以上磁畴可以有序翻转，并且可往复反转；此外，在不同的电压下，翻转情况不尽相同，有多种中间态，在电压梯度调控下，可用于多态存储，翻转速率也不尽相同，写入的信息可以保持很久，为下一代高速、多功能、非易失性的电写磁读存储器提供了潜在的应用价值，有望解决目前的存储难题，具有巨大的科研价值和社会效益。进一步，所述步骤S1中，在进行脉冲激光沉积前，对脉冲激光沉积的腔体抽真空至4×10-5～5×10-5Pa。该真空度范围可以达到镀膜要求，真空度过低时易引入杂质，真空度过高增加功耗和成本。进一步，所述步骤S1中，脉冲激光沉积过程中的衬底温度为550～610℃、氧气压强为15～20Pa。在该工艺条件下，能在衬底上沉积质量较好的BiFeO3薄膜。若衬底温度过低，沉积原子来不及排列好，难以在衬底上迁移，从而难以形成单晶膜；若衬底温度过高，容易增加热缺陷，影响成膜质量；若氧压过低，不足以补充薄膜中缺失的氧；若氧压过高，会使溅射产生的粒子碰撞失去大部分能量。进一步，所述步骤S1中，所述衬底为LaAlO3。LaAlO3(以下简称LAO)和BiFeO3的晶格差异会产生较大的压应力，应力的传递有效避免了由于界面处的关联较弱带来的调控可重复性差的问题。进一步，所述步骤S2中，所述掩模板为纳米球模板。纳米球模板由纳米球有序排列而成，纳米球之间形成三角形的缝隙，Co纳米点通过纳米球模板后沉积在BiFeO3薄膜表面的形状也为三角形，三角形的形状有利于电控磁翻转，电写磁读效应好。进一步，所述步骤S2中，蒸镀过程中的真空度为4×10-4～5×10-4Pa、电流强度为5～10A、蒸镀时间为30～50min。在该工艺条件下，能在BiFeO3薄膜表面蒸镀质量较好的Co纳米点阵。真空度过低，蒸镀时会增加蒸镀粒子与残留气体分子的碰撞几率，导致蒸镀粒子活化能下降或改变运行方向，从而降低镀膜与基材的结合牢度和成膜质量；真空度过高，对于成膜质量的效能减弱，增加功耗和成本；电流强度过低，蒸镀粒子与基材结合强度低；电流强度过高，蒸镀粒子熔融气化迅速，易击穿基材形成针孔；蒸镀时间过短或过长，都无法获得适宜的膜厚。为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本专利技术。附图说明图1为实施例1的基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器的结构示意图。图2为实施例2的BiFeO3薄膜的XRD图。图3为实施例2的Co纳米点阵的SEM图。图4为实施例2的Co纳米点的磁畴图。图5为实施例2的样品的磁畴翻转图。图6为对比实验1的磁畴图。图7为对比实验2的磁畴图。具体实施方式实施例1请参阅图1，图1为本实施例的基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器的结构示意图。所述基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器包括BiFeO3薄膜10和Co纳米点阵20，所述Co纳米点阵2覆盖于BiFeO3薄膜10表面。所述BiFeO3薄膜10为四方相的BiFeO3外延薄膜。具体的，BiFeO3薄膜10通过脉冲激光沉积法沉积于LAO衬底30上。所述Co纳米点阵20采用蒸镀法结合掩模板的方法覆盖于BiFeO3薄膜10表面。具体的，将BiFeO3薄膜10贴上纳米球模板40，然后在贴有掩模板的BiFeO3薄膜10表面蒸镀上Co纳米点阵20。本实施例中，Co纳米点的横向尺寸为250nm，高度为20nm。相对于现有技术，本专利技术采用BiFeO3薄膜作为铁电层，采用磁性Co纳米点作为铁磁层，形成了Co纳米点和B本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于铁电‑铁磁异质结的电控磁型存储器，其特征在于：包括从下往上依次设置的铁电层和铁磁层，所述铁电层为BiFeO3薄膜，所述铁磁层为Co纳米点阵。

【技术特征摘要】
1.基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器，其特征在于：包括从下往上依次设置的铁电层和铁磁层，所述铁电层为BiFeO3薄膜，所述铁磁层为Co纳米点阵。2.根据权利要求1所述的基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器，其特征在于：所述BiFeO3薄膜为四方相的BiFeO3外延薄膜。3.根据权利要求2所述的基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器，其特征在于：所述Co纳米点阵中的Co纳米点的横向尺寸为100～300nm，高度为10～25nm。4.基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：采用脉冲激光沉积法在衬底上沉积BiFeO3薄膜；S2：将步骤S1所得BiFeO3薄膜贴上掩模板，采用蒸镀法在贴有掩模板的BiFeO3薄膜表面镀上Co纳米点阵。5.根据权利要求4所述的基于铁电-铁磁异质结的电控磁型存储器的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：高兴森，姚竣翔，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44